Почему волоконно-оптические решетки не вызывают искр во взрывоопасных средах?
Анализ принципа «Взрывозащищенность» (Intrinsic Safety) для волоконно-оптических решеток во взрывоопасных зонах
На объектах с легковоспламеняющимися и взрывоопасными средами, таких как резервуары нефтехимических производств, газопроводы, угольные шахты и склады опасных химических веществ, традиционные электронные датчики строго ограничены в применении из-за риска возникновения электрических искр или локального теплового воздействия. В отличие от них, оптоволоконные решетки ( FBG ) по своей природе обладают физическими характеристиками взрывозащищенности ( Intrinsic Safety ), что обеспечивает их высокую безопасность и надежность в таких опасных условиях.
Ниже, с точки зрения физики и оптоинженерии, объясняется, почему волоконно-оптические решетки не вызывают искр во взрывоопасных зонах и достигают «взрывозащищенности»:
1. Что такое «взрывозащищенность» в инженерии?
В области взрывозащищенной электротехники «взрывозащищенность» (далее — искробезопасность, обычно обозначается как Ex i ) означает ограничение энергии во внутренней цепи оборудования таким образом, чтобы при нормальной работе или в установленных аварийных состояниях (например, короткое замыкание, обрыв, утечка или повреждение компонента) генерируемые электрические искры и тепловые эффекты не могли воспламенить взрывоопасную смесь в окружающей среде (например, горючие газы, пыль и т. д.).
2. Почему волоконно-оптические решетки ( FBG ) абсолютно не вызывают искр?
- Отсутствие передачи электрических сигналов (полностью изолирующая среда)
Основным химическим компонентом оптического волокна является высокочистый диоксид кремния ( \text{SiO}_2 ), который сам по себе является отличным электроизолятором. При работе датчика на основе волоконно-оптической решетки по внутренним каналам передаются только фотоны (оптический сигнал), а не электроны (электрический сигнал). Поскольку в зонде датчика и передающем кабеле отсутствуют какие-либо напряжения ( V ), токи ( I ) или потоки заряда, при физическом разрыве, истирании или попадании воды отсутствует физический механизм возникновения дуги (искры) или искры статического электричества. - Сверхнизкая оптическая мощность на уровне микроватт — милливатт (отсутствие риска локального перегрева)
Оптический источник, используемый в демодуляторе волоконно-оптической решетки (активная тестовая сторона), вводит в волокно очень низкую мощность лазерного излучения, обычно в диапазоне от микроватт ( \mu\text{W} ) до милливатт ( \text{mW} ) (типичные значения составляют от 10\ \mu\text{W} до 10\text{ mW} ). Такая слабая световая энергия даже при прохождении через решетку не вызывает какого-либо ощутимого локального повышения температуры. Согласно международным стандартам (например, IEC 60079-28 «Взрывозащищенное применение с использованием оптического излучения»), только при непрерывной оптической мощности, достигающей сотен милливатт или даже ватт, и при фокусировке на определенном поглотителе, возможно возникновение воспламеняющего повышения температуры. Рабочая световая энергия системы FBG значительно ниже этого безопасного порога. - Физическое пространственное разделение опасной зоны и источника воспламенения
Система датчиков на основе волоконно-оптической решетки имеет архитектуру «пассивный датчик» + «активный демодулятор». Все электрическое, активное оборудование (включая широкополосные источники света, фотодетекторы, демодуляционную систему, компьютерный терминал управления и т. д.) размещается в безопасной диспетчерской, вдали от опасной зоны (на расстоянии сотен метров или даже километров). В опасную взрывоопасную зону вводятся только пассивное оптическое волокно и датчик FBG в герметичном корпусе, что на уровне топологии системы полностью исключает контакт электрических источников опасности со взрывоопасной средой.
3. Продукция датчиков FBG, соответствующая требованиям взрывозащищенности
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. ( OFSCN® ) на основе собственной разработанной технологии высокотемпературных оптических волокон и прецизионной герметизации бесшовными стальными трубами производит серию оптических решеток FBG для измерения температуры, обладающих встроенной высокой защитой и искробезопасностью, подходящих для различных сложных, высокотемпературных и коррозионных промышленных взрывоопасных объектов:
-
OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
В стандартной комплектации используются бесшовные стальные трубы с однослойной герметизацией, рабочий диапазон температур от -200\ ^\circ\text{C} до 300\ ^\circ\text{C} . Полностью пассивная конструкция идеально подходит для взрывозащищенного измерения температуры в нефтехимической промышленности и других отраслях.
-
OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Повышенный предел температур, подходит для взрывозащищенного мониторинга в промышленных реакторах с высокой температурой, трубопроводах с горячими газами, рабочий диапазон температур от -200\ ^\circ\text{C} до 500\ ^\circ\text{C} .
-
OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
С использованием фемтосекундной записи лазером и специальной технологии вложенных бесшовных стальных труб обеспечивается широкий диапазон температур от -270\ ^\circ\text{C} до 800\ ^\circ\text{C} , высокая устойчивость к давлению, полное отсутствие пассивности и опасности воспламенения.
-
Fiber Bragg Grating Temperature Sensing Fire Detector
Специально разработанный чувствительный детектор для обеспечения пожарной безопасности и раннего предупреждения о пожаре, также использующий преимущества FBG — отсутствие электричества и искробезопасность — может быть непосредственно установлен в зонах повышенного риска возникновения пожаров и взрывов.
Таким образом, благодаря своим физическим свойствам — «отсутствие электричества, крайне низкая оптическая мощность, полная оптоэлектрическая изоляция» — волоконно-оптические решетки на фундаментальном физическом уровне исключают возможность возникновения искр и разрушительного теплового воздействия, представляя собой наиболее взрывозащищенное сенсорное решение для мониторинга во взрывоопасных средах.